In-vitro-onderzoek
Stel je voor: een longcel groeit niet in een lichaam, maar in een plastic schaaltje op een labtafel, badend in een roze voedingsvloeistof. Onderzoekers druppelen er een nieuw medicijn bij en kijken onder de microscoop wat er gebeurt. Dat is in-vitro-onderzoek: wetenschappelijk onderzoek dat buiten een levend organisme plaatsvindt, met cellen, weefsels of moleculen in een gecontroleerde kunstmatige omgeving, meestal een laboratoriumschaaltje of een geavanceerder kunstmatig systeem.
De term komt uit het Latijn en betekent letterlijk "in glas" — een verwijzing naar de glazen reageerbuizen en petrischaaltjes waarin dit soort experimenten van oudsher plaatsvinden. Het tegenovergestelde is in-vivo-onderzoek, oftewel onderzoek in een levend organisme, zoals een proefdier of een patiënt. In-vitro-onderzoek is dus een tussenstap: goedkoper, sneller en ethisch minder belastend dan dierproeven, maar wel een vereenvoudigde weergave van hoe een compleet lichaam werkelijk reageert.
Wat is het precies?
De basis van in-vitro-onderzoek is celkweek: menselijke of dierlijke cellen worden buiten het lichaam in leven gehouden en laten groeien in een voedingsmedium, een vloeistof met suikers, eiwitten en zouten die de cellen nodig hebben om te overleven. Dit gebeurt meestal in een broedstoof die lichaamstemperatuur en luchtvochtigheid nabootst.
De eenvoudigste vorm is een tweedimensionale celkweek: cellen groeien plat op de bodem van een schaaltje, als een dun laagje. Dat is makkelijk te bestuderen, maar mist de driedimensionale structuur van echt weefsel.
Daarom werken onderzoekers steeds vaker met driedimensionale modellen. Een bekend voorbeeld is het organoïde: een miniatuurversie van een orgaan, opgekweekt uit stamcellen, die zichzelf organiseert tot een structuur die qua opbouw lijkt op een echte darm, lever of hersenschors, maar dan slechts een paar millimeter groot.
Nog een stap verder is organ-on-a-chip-technologie: een klein chip van doorzichtig kunststof, ter grootte van een USB-stick, met piepkleine kanaaltjes waarin levende menselijke cellen groeien. Door vloeistof door de kanaaltjes te pompen, kunnen onderzoekers mechanische krachten nabootsen, zoals de ademhalingsbeweging van een long of de doorbloeding van een darmwand.
Op al deze modellen kunnen onderzoekers vervolgens stoffen testen: medicijnen, chemicaliën of ziekteverwekkers, en meten wat er met de cellen gebeurt. Sterven ze af? Veranderen ze van vorm? Geven ze bepaalde signaalstoffen af? Zo ontstaat inzicht in werking en veiligheid, nog vóór er een dier of mens bij betrokken wordt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het verminderen van dierproeven. Klassiek geneesmiddelenonderzoek test nieuwe stoffen eerst op muizen of ratten, voordat er aan een klinische studie met mensen wordt begonnen. Dat is tijdrovend, duur en roept ethische vragen op. Goede in-vitro-modellen kunnen een deel van die dierproeven overbodig maken.
Daarnaast hoopt men op snellere en veiligere medicijnontwikkeling. Slechts een klein deel van de kandidaat-medicijnen die goed werken in dierproeven, blijkt ook bij mensen effectief en veilig, onder meer omdat een muis nu eenmaal geen mens is. Modellen die zijn opgebouwd uit menselijke cellen zouden dus voorspellender kunnen zijn voor wat er in een patiënt gebeurt.
Een derde doel is personalized medicine, oftewel gepersonaliseerde geneeskunde. Door organoïden te kweken uit cellen van een specifieke patiënt, bijvoorbeeld uit een stukje tumorweefsel, kunnen artsen in het lab testen welk medicijn bij die ene patiënt het beste aanslaat, voordat ze het echt toedienen.
Tot slot dient in-vitro-onderzoek gewoon fundamentele wetenschap: het helpt onderzoekers begrijpen hoe ziektes op celniveau ontstaan en verlopen, los van de vraag of dat ooit tot een medicijn leidt.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste voorbeelden is de long-on-a-chip, ontwikkeld door het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard University, onder leiding van bio-ingenieur Donald Ingber. Sinds begin jaren 2010 werkt dit team aan chips die longblaasjes nabootsen, inclusief de rekbeweging die ontstaat bij ademhaling. Uit dit onderzoek is het bedrijf Emulate Inc. voortgekomen, dat organ-on-chip-technologie commercieel verder ontwikkelt voor onder meer de farmaceutische industrie.
In 2013 publiceerden onderzoekers Madeline Lancaster en Jürgen Knoblich een invloedrijke studie waarin ze uit menselijke stamcellen zogenoemde cerebrale organoïden kweekten: kleine kluitjes weefsel met een structuur die overeenkomsten vertoont met de vroege menselijke hersenschors. Dit werk gaf een grote impuls aan het gebruik van organoïden om hersenontwikkeling en neurologische aandoeningen te bestuderen.
In de Verenigde Staten trad in 2022 de FDA Modernization Act 2.0 in werking. Deze wetswijziging maakte het mogelijk dat farmaceutische bedrijven bij de Amerikaanse geneesmiddelenautoriteit FDA niet langer verplicht zijn dierproeven te tonen voordat een nieuw medicijn getest mag worden op mensen; alternatieven zoals organ-on-chip-modellen en computersimulaties mogen sindsdien ook als bewijs worden aangedragen. Dit betekent niet dat dierproeven meteen verdwenen zijn, maar wel dat de deur voor alternatieven wettelijk is geopend.
In Nederland bundelen verschillende universiteiten en academische ziekenhuizen, waaronder in Leiden, Utrecht, Twente, Eindhoven en Maastricht, hun krachten in het hDMT-consortium (Human organ and Disease Model Technologies). Dit samenwerkingsverband ontwikkelt orgaan-op-chipmodellen voor onder meer lever, nier en bloedvaten, en probeert de technologie ook geschikt te maken voor gebruik door de industrie.
Op Europees niveau speelt EURL ECVAM een rol: het EU-referentielaboratorium voor alternatieven voor dierproeven, ondergebracht bij het Joint Research Centre van de Europese Commissie. Dit laboratorium beoordeelt en valideert nieuwe in-vitro-testmethoden voordat ze officieel erkend worden als vervanging voor een dierproef.
Hoe ver is de techniek?
Eenvoudige celkweek is al decennia gangbare, gevalideerde labpraktijk en wordt overal ter wereld routinematig gebruikt, bijvoorbeeld om de giftigheid van stoffen op celniveau te testen. Op dat vlak is in-vitro-onderzoek dus allang geen toekomstmuziek meer.
Organoïden en organ-on-chip-systemen zijn wezenlijk jonger en volop in ontwikkeling. Ze worden inmiddels gebruikt in academisch onderzoek en, in toenemende mate, ook door farmaceutische bedrijven bij vroege medicijnontwikkeling. Toch zijn ze nog geen volwaardige vervanging voor een compleet organisme.
Een belangrijk obstakel is dat de meeste organoïden geen bloedvaten en geen immuunsysteem bevatten, terwijl die in een echt lichaam cruciaal zijn voor hoe een orgaan functioneert en hoe het op een ziekte of medicijn reageert. Onderzoekers proberen dit te ondervangen door meerdere organ-on-chips aan elkaar te koppelen tot zogeheten "body-on-a-chip"-systemen, maar dat is technisch complex en nog geen gangbare standaard.
Ook opschaalbaarheid is een probleem: het kweken van organoïden en het produceren van chips is arbeidsintensief en duur, waardoor grootschalig gebruik, bijvoorbeeld om duizenden stoffen tegelijk te testen, nog beperkt is.
Regelgevend gebeurt er wel duidelijk beweging, zoals de Amerikaanse wet uit 2022 laat zien, maar validatie is een langzaam proces: elke nieuwe testmethode moet aantoonbaar betrouwbaar genoeg zijn voordat toezichthouders zoals de FDA of het Europees Geneesmiddelenbureau (EMA) haar accepteren als vervanging voor bestaande, dierproefgebaseerde testen. Dat kost jaren.
Kortom: in-vitro-onderzoek is voor eenvoudige toepassingen volwassen technologie, maar voor complexere toepassingen, zoals het volledig vervangen van dierproeven bij nieuwe medicijnen, bevindt de techniek zich nog in een fase van gestage, geen revolutionaire, vooruitgang.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is het Wyss Institute van Harvard University een van de pioniers op het gebied van organ-on-a-chip-technologie, met spin-offbedrijf Emulate Inc. als commerciële partij die deze chips verder ontwikkelt en verkoopt. De Amerikaanse geneesmiddelenautoriteit FDA speelt een sturende rol via regelgeving zoals de Modernization Act 2.0.
In Europa is TissUse, een Duits bedrijf, actief op het gebied van multi-orgaanchips. Ook CN Bio, gevestigd in het Verenigd Koninkrijk, ontwikkelt organ-on-chip-platformen voor onderzoek naar lever- en longaandoeningen.
Nederland heeft met het hDMT-consortium een relatief zichtbare positie in dit veld, met bijdragen van onder meer de Universiteit Leiden, het Leids Universitair Medisch Centrum, de Universiteit Utrecht, de Universiteit Twente, de Technische Universiteit Eindhoven en Maastricht University.
Op Europees niveau bewaakt EURL ECVAM, onderdeel van het Joint Research Centre van de Europese Commissie, de wetenschappelijke validatie van nieuwe alternatieve testmethoden, terwijl het Europees Geneesmiddelenbureau (EMA) bepaalt in hoeverre deze methoden mogen worden gebruikt bij medicijngoedkeuring binnen de EU.